Improving the performance characteristics of grey cast iron parts via ion implantation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Cast iron is a material that is widely used in various industries. It possesses high heat capacity, relatively high hardness, and a number of other physical, mechanical and technological properties. Due to the significant operational stress experienced by the working surfaces of cast iron parts and its frequent exposure to aggressive environments, additional surface treatment is required to enhance wear resistance, corrosion resistance, and other properties. There are many different methods of surface modification. One of the most promising and modern ones is ion implantation with various ions. The purpose of the work is thus to study the effect of ion implantation on the surface of cast iron and the resulting changes in its mechanical properties. Methods. Cast iron samples were implanted with nitrogen ions of different doses (optimal dose of implanted nitrogen ions as a nitride-forming element). The surface microstructure of cast iron samples was investigated using a scanning electron microscope Stereoscan S-180 at a magnification of ×2,900 and ×5,000. Microdurometry analysis of the samples was carried out using a Neophot-2 metallographic microscope equipped with an attachment for measuring microhardness, at a load of 10 g after implantation of cast iron samples with various doses of nitrogen ions. In addition, X-ray diffraction analysis was performed on a DRON-3 diffractometer to determine the phase composition and fine structure of modified cast iron samples. Results and Discussion. Ion implantation of cast iron samples significantly increases microhardness. Thus, the conducted study reveals that the best mechanical properties (specifically microhardness) are observed in cast iron samples after implantation by N+ ions with a dose of 5×1017 ions/cm2 with energy of 40 KeV. X-ray diffraction analysis demonstrated that the ion implantation with nitrogen results in the formation of Fe2N and Fe2N nitrites, and also revealed changes in fine structure (average dislocation density and size of mosaic blocks).

About the authors

O. Yu. Usanova

Email: olus2000@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4399-5074
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Polytechnic University, 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russian Federation, olus2000@mail.ru

A. V. Ryazantseva

Email: rav300576@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6558-3089
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Polytechnic University, 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russian Federation, rav300576@mail.ru

M. Yu. Vakhrusheva

Email: mvahr@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6118-9527
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Bratsk State University, 40 Makarenko Str., Bratsk, 665709, Russian Federation, mvahr@yandex.ru

M. A. Modina

Email: marishavostrikova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2482-5472
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Admiral Ushakov Maritime State University, 93 Lenin Ave., Novorossiysk, 353924, Russian Federation, marishavostrikova@yandex.ru

Y. S. Kuznetsova

Email: julx@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1388-6125
Candidate of Education, Admiral Ushakov Maritime State University, 93 Lenin Ave., Novorossiysk, 353924, Russian Federation, julx@bk.ru

References

  1. Production of workpieces from martensitic stainless steel using electron-beam surfacing and investigation of cutting forces when milling workpieces / N.V. Martyushev, V.N. Kozlov, M. Qi, V.S. Tynchenko, R.V. Kononenko, V.Yu. Konyukhov, D.V. Valuev // Materials. – 2023. – Vol. 16. – P. 4529. – doi: 10.3390/ma16134529.
  2. Integrated quality ensuring technique of plasma wear resistant coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, N.V. Martyushev, P.Yu. Skeeba // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 736. – P. 132–137. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.736.132' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.736.132.
  3. Ardashkin I.B., Yakovlev A.N. Evaluation of the resource efficiency of foundry technologies: methodological aspect // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – P. 912–916. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.1040.912' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.1040.912.
  4. The resource efficiency assessment technique for the foundry production / I.G. Vidayev, N.V. Martyushev, A.S. Ivashutenko, A.M. Bogdan // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 880. – P. 141–145. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.880.141' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.880.141.
  5. Usanova O.Yu., Ryazantseva A.V., Kolishchak L.M. Investigation of the effect of ion implantation on tribotechnical characteristics of cast iron // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – Vol. 2373 (2). – P. 022029. – doi: 10.1088/1742-6596/2373/2/022029.
  6. Влияние ионной имплантации на свойства чугуна, используемого в конструкциях горнодобывающих машин и аппаратов / О.Ю. Усанова, А.В. Рязанцева, О.Б. Сенникова, С.Д. Корнеев // Устойчивое развитие горных территории?. – 2023. – Т. 15, № 4. – С. 912–920. – doi: 10.21177/1998-4502-2023-15-4-912-920.
  7. Ni-hard-class cast irons, prospects for their improvement / A. Issagulov, M. Ibatov, P. Kovalyov, E. Shcherbakova, A. Dostaeva, S. Arinova // Труды Университета. – 2021. – № 2 (83). – С. 47–51. – doi: 10.52209/1609-1825_2021_2_47.
  8. Konyuhov V.Y., Gladkih A.M., Semenov V.V. Measures to the improvement of efficiency of a repair enterprise // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1353. – P. 012046. – doi: 10.1088/1742-6596/1353/1/012046.
  9. Method for selecting the location of the clearance fields of the landing surfaces of gear pump parts with a biaxial connection / A.K. Sherov, B. Myrzakhmet, K.T. Sherov, B.N. Absadykov, M.R. Sikhimbayev // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Geology and Technical Sciences. – 2022. – Vol. 1 (451). – P. 159–166. – doi: 10.32014/2022.2518-170X.153.
  10. Comparative metallographic analysis of the structure of St3 steel after being exposed to different ways of work-hardening / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, M.V. Grechneva, V.V. Kondrat'ev, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411. – P. 0120123.
  11. Improvement of wear and hardness of steel by nitrogen implantation / A.A. Youssef, P. Budzynski, J. Filiks, A.P. Kobzev, J. Sielanko // Vacuum. – 2004. – Vol. 77 (1). – P. 37–45.
  12. Усанова О.Ю., Столяров В.В., Рязанцева А.В. Исследование свойств ионно-имплантированного титанового сплава с памятью формы, используемого в конструкциях горнодобывающего оборудования // Устойчивое развитие горных территории?. – 2022. – Т. 14, № 4. – С. 695–701. – doi: 10.21177/1998-4502-2022-14-4-695-701.
  13. Sudjatmoko L.S., Wirjoadi B.S. Effects of nitrogen ion implantation on hardness and wear resistance of the Ti-6Al-4V alloy // Jurnal Iptek Nuklir Ganendra = Ganendra Journal of Nuclear Science and Technology. – 2015. – Vol. 18 (2). – P. 61–68.
  14. Bosikov I.I., Modina M.A., Khekert E.V. Analysis of the quality of underground mineral waters of terrigenous deposits of the hauteriv-barremian aquifer of the lower cretaceous // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of geology and technical sciences 2024. – Vol. 2. – P. 36–47. – doi: 10.32014/2024.2518-170X.392.
  15. Ershov V.A., Sysoev I.A., Kondrat'ev V.V. Determination of aluminum oxide concentration in molten cryolite-alumina // Metallurgist. – 2013. – Vol. 57 (3–4). – P. 346–351.
  16. Mathematical modeling of thermofrictional milling process using ANSYS WB software / K.T. Sherov, M.R. Sikhimbayev, A.K. Sherov, B.S. Donenbayev, A.K. Rakishev, A.B. Mazdubai, M.M. Musayev, A.M. Abeuova // Journal of Theoretical and Applied Mechanics. – 2017. – Vol. 47 (2). – P. 24–33. – doi: 10.1515/jtam-2017-0008.
  17. Pashkov E.N., Martyushev N.V., Ponomarev A.V. An investigation into autobalancing devices with multireservoir system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2014. – Vol. 66 (1). – P. 012014. – doi: 10.1088/1757-899X/66/1/012014.
  18. Formation of high-carbon abrasion-resistant surface layers when high-energy heating by high-frequency currents / N.V. Plotnikova, V.Yu. Skeeba, R.A. Miller, N.S. Rubtsova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 156 (1). – P. 012022. – doi: 10.1088/1757-899X/156/1/012022.
  19. The features of steel surface hardening with high energy heating by high frequency currents and shower cooling / V.V. Ivancivsky, V.Yu. Skeeba, I.A. Bataev, O.V. Sakha, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 156 (1). – P. 012025. – doi: 10.1088/1757-899X/156/1/012025.
  20. Снижение биокоррозии деталей оборудования, эксплуатируемого в подземных выработках за счет применения детонационного Ti-Cu напыления / У.В. Харченко, В.С. Егоркин, В.В. Сирота, С.В. Зайцев // Устойчивое развитие горных территорий. – 2024. – Т. 16, № 1. – С. 336–344. – doi: 10.21177/1998-4502-2024-16-1-336-344.
  21. Balovtsev S.V., Merkulova A.M. Comprehensive assessment of buildings, structures and technical devices reliability of mining enterprises // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 3. – С. 170–181. – doi: 10.25018/0236_1493_2024_3_0_170.
  22. Шарипзянова Г.Х., Еремеева Ж.В. Управление эксплуатационными свойствами порошковых материалов для повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей // Устойчивое развитие горных территорий. – 2023. – Т. 15, № 2. – С. 443–449. – doi: 10.21177/1998-4502-2023-15-2-443-449.
  23. Numerical simulation of temperature field in steel under action of electron beam heating Source / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Vakhrushev, A.K. Zhigulev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 105–111. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.712.105' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.712.105.
  24. Formation and utilization of nanostructures based on carbon during primary aluminum production / V.V. Kondrat’;ev, V.A. Ershov, S.G. Shakhrai, N.A. Ivanov, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2016. – Vol. 60 (7–8). – P. 877–882.
  25. Efficiency gains when using activated mill tailings in underground mining / V.S. Brigida, V.I. Golik, R.V. Klyuev, L.B. Sabirova, A.R. Mambetalieva, Yu.I. Karlina // Metallurgist. – 2023. – Vol. 67 (3–4). – P. 398–408. – doi: 10.1007/s11015-023-01526-z.
  26. Prospects for return of valuable components lost in tailings of light metals ore processing / V.I. Golik, R.V. Klyuev, D.A. Zyukin, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2023. – Vol. 67 (1–2). – P. 96–103. – doi: 10.1007/s11015-023-01493-5.
  27. Complex metallographic researches of 110G13L steel after heat treatment / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, S.A. Nebogin, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012014.
  28. Akst E.R. Structural and phase transformations in cast irons when implanted into the surface layers of nitrogen ions // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 86 (1). – P. 012038. – doi: 10.1088/1757-899X/86/1/012038.
  29. Мищук Л.Н., Юдина Т.Ю. Изучение микроструктуры, химического состава и свойств поверхностной зоны высокопрочных чугунов после азотирования // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2018. – № 4. – C. 84–90.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».